Parte II. Reti di calcolatori

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1 Parte II Reti di calcolatori 29

2 Capitolo 4 Topologie di rete Finora abbiamo considerato il problema della trasmissione di inormazione tra due utenti. Nel caso reale dovranno essere messi in collegamento un numero molto grande di utenti. Questo é il compito di una rete di comunicazione. Dato un certo numero di utenti, la particolare disposizione geometrica dei collegamenti ra di essi, che implementa la rete, prende il nome di topologia di rete. Nel seguito descriveremo alcuni esempi di possibili topologie. Rete a maglia In una rete a maglia ogni utente o ogni host, che per noi identiicherá un punto di accesso alla rete, é collegato direttamente con tutti gli altri (Fig. 4.1). In Fig. 4.1 ogni segmento identiica un collegamento realizzato in un qualche modo (in cavo, ibra ottica, radio, ecc.). La rete a maglia é una struttura onerosa poiché comporta un alto numero di collegamenti, praticabile solo se si devono collegare un numero molto piccolo di utenti e se questi sono molto vicini. D altro canto é una struttura estremamente aidabile. L interruzione di un collegamento interrompe solo il collegamento diretto tra due utenti, che potrebbero comunque comunicare attraverso gli altri collegamenti. Rete a stella In una rete a stella ogni utente é collegato ad un dispositivo centrale (Fig. 4.2). Questo nodo centrale (C in igura), che puó corrispondere ad un host o meno, deve possedere la capacitá di instaurare i collegamenti richiesti da un host per collegarsi ad un altro host, ossia deve essere in grado di decidere di collegare o inviare l inormazione sui vari tratti. Deve cioé possedere una capacitá detta di commutazione. Rispetto ad una rete a maglia, si ha bisogno di un numero minore di connessioni (pari al numero di utenti). Nel caso di rottura di un collegamento, risulterá interrotto solo il collegamento da/verso il particolare utente. Se peró é il nodo C ad andare uori servizio, l intera connettivitá di rete viene compromessa. 30

3 CAPITOLO 4. TOPOLOGIE DI RETE 31 Host Figura 4.1: Rete a maglia. C Figura 4.2: Rete a stella.

4 CAPITOLO 4. TOPOLOGIE DI RETE 32 C3 C1 C2 Figura 4.3: Rete ad albero. Rete ad albero Una rete ad albero realizza una struttura gerarchica tra i vari nodi della rete (Fig. 4.3). Rispetto ad una rete a stella, in tale tipo di topologia viene separato isicamente il traico tra vari gruppi di utenti. In caso di guasto di uno dei nodi di commutazione (C), i collegamenti tra gli utenti negli altri gruppi rimangono comunque attivi. Rete ad anello (ring) In tal caso non ci sono connessioni terminali. Ogni utente é connesso a due utenti, a creare un percorso chiuso ed ininterrotto (Fig. 4.4). Tale topologia non richiede la presenza di nodi con capacitá aggiuntive (nodi di commutazione). I dati viaggiano in una direzione, e un interruzione dell anello provoca il blocco della unzionalitá di rete. Inine, i dati inviati da un utente ad un altro sono visibili anche a tutti gli altri utenti. Rete a bus In una rete a bus (Fig. 4.5), tutti gli utenti sono connessi ad un singolo mezzo trasmissivo, detto bus, usualmente un cavo coassiale. In tale topologia puó non essere necessaria la presenza di nodi di commutazione. I dati viaggiano in entrambe le direzioni, e sono visibili da tutti gli utenti. Un interruzione in qualsiasi punto del bus provoca teoricamente il blocco dell intera rete, anche se spesso ció si risolve in un semplice isolamento dei due tronconi e nel degradamento del segnale. Le topologie viste ino adesso, salvo l architettura ad albero, sono adatte al caso utenti distribuiti su un area geograicamente poco estesa. Si incontrano inatti nelle LAN (Local Area Network). In tali reti la quasi totalitá dei nodi sono costituiti da utenti, e sono usualmente realizzate con la medesima tecnologia con un unico proprietario. Nel caso di utenti molto distanti tra loro (WAN: Wide Area Network, o reti geograiche) si ricorre a strutture combinate. In particolare, si possono

5 CAPITOLO 4. TOPOLOGIE DI RETE 33 Figura 4.4: Rete ad anello. terminazione bus Figura 4.5: Rete a bus.

6 CAPITOLO 4. TOPOLOGIE DI RETE 34 LAN 1 LAN 2 C1 C2 LAN 3 C3 Figura 4.6: Rete in cascata. Le LAN possono avere una delle conigurazioni viste. incontrare, essenzialmente, due conigurazioni, o una loro combinazione. Reti in cascata (Fig. 4.6); Reti a maglia (Fig. 4.7). Rispetto ad un collegamento in cascata, il collegamento a maglia presenta dei collegamenti ridondanti tra i nodi di commutazione C. Tale ridondanza consente di mantenere collegati i gruppi di utenti (le LAN) anche nel caso in cui un collegamento tra tali nodi vada uori servizio. Il prezzo da pagare é il maggior costo della rete. Come rappresentato nelle Fig. 4.6, 4.7, piú reti possono essere interconnesse tra loro, attraverso opportuni nodi (nodi di conine), per ormare una rete di reti. Nella rete che le interconnette saranno presenti un certo numero di nodi di commutazione, che si occuperanno di instradare il lusso di inormazione da utente ad utente. Tali nodi, cioé, non hanno a che are con il contenuto dell inormazione, ma solo con l instradamento dei dati. La connessione di piú reti, per ormare una rete di reti, prende il nome di internetworking o internet. Internet (con la I maiuscola) é la rete di reti per eccellenza. É la piú grande e nota rete di reti del mondo. Connette piú di reti in qualsiasi parte del globo. Le reti che sono interconnesse possono essere (e sono) realizzate con tecnologia diversa e con diversi proprietari, compresi gestori nazionali. Opportuni dispositivi, i router, si occupano di

7 CAPITOLO 4. TOPOLOGIE DI RETE 35 LAN 1 LAN 2 C1 C2 LAN 4 C4 LAN 3 C3 Figura 4.7: Reti a maglia. Le LAN possono avere una delle conigurazioni viste. tradurre i segnali nel modo da adattarsi alle tecnologie delle reti collegate ad esso. Storicamente Internet nasce come progetto militare durante la guerra redda. In tale contesto venne creata ARPANET, dal nome dell agenzia governativa statunitense che la gestiva, come esperimento di rete aidabile in cui erano presenti collegamenti ridondanti e capace di operare un reindirizzamento dinamico, ossia capace di ricercare automaticamente nuovi tragitti per collegare due utenti nel caso in cui un collegamento di rete veniva a mancare, interrotto ad esempio in seguito ad un attacco nemico. Il progetto si é poi evoluto e la parte militare si é staccata, ed Internet é cominciata a divenire un potente mezzo di collegamento, prima tra universitá e poi tra la maggior parte delle strutture civili del globo.

8 Capitolo 5 Multiplexing Osservando la struttura delle possibili topologie di rete si nota che si hanno delle tratte in comune tra i vari gruppi di utenti. Ció comporta la necessitá di deinire una modalitá per ar condividere il medesimo collegamento (ovvero il mezzo trasmissivo, solitamente ad alta capacitá di trasmissione) tra diversi utenti. Nel caso delle reti di calcolatori, ció deve essere atto tenendo presente che il traico dati tra due utenti é di tipo impulsivo ed asimmetrico, ossia con periodi di silenzio e sbilanciato in una direzione, come schematizzato in Fig Prima di parlare espressamente delle tecniche con cui piú utenti possono accedere al medesimo mezzo trasmissivo, dobbiamo introdurre le tecniche utilizzate per convogliare piú linee di trasmissione in una sola. Tale operazione é detta multiplexing, mentre il dispositivo che la attua prende il nome di multiplexer. L operazione inversa é detta demultiplexing, mentre il dispositivo che la attua prende il nome di demuptiplexer. Le tecniche di multiplexing sono essenzialmente tre. richiesta servizio + dati risultati elaborati altra richiesta tempo Figura 5.1: calcolatori. Schematizzazione del traico tra due utenti di una rete di 36

9 CAPITOLO 5. MULTIPLEXING Multiplex a divisione di requenza Nel multiplex a divisione di requenza (o FDM: Frequency Division Multiplex) piú segnali vengono trasmessi sul mezzo a disposizione dividendo la banda di quest ultimo e assegnando le varie divisioni ai vari segnali. Il multiplexer provvederá, in tal caso, a spostare lo del segnale di ingresso (tramite una modulazione) nella parte a lui assegnata, come schematizzato in Fig Il demultiplexer provvederá invece a selezionare le bande relative ai singoli segnali e ad estrarre questi ultimi tramite un opportuna operazione di demodulazione. Tale tecnica é peró piú adatta alla trasmissione di traico non impulsivo (ad es. per teleono, televisione). 5.2 Multiplex a divisione di tempo Nel caso del multiplex a divisione di tempo (o TDM: Time Division Multiplex) vengono trasmessi sequenzialmente delle porzioni dei segnali di ingresso. In particolare, un certo intervallo di tempo viene diviso in un certo numero di sottointervalli (time slots). Ogni utente trasmetterá un certo numero di bit dei propri dati nello slot che gli é assegnato in quel momento (Fig. 5.3). La struttura base di tale suddivisione é detta trama. Il demultiplexer estrarrá i dati dai vari slot, inviandoli poi alle rispettive linee di uscita. L assegnazione linea time slot puó essere issa per tutta la comunicazione, o variabile da trama a trama. Nel primo caso il particolare slot indica la linea a cui devono essere inviati i dati in uscita. Nel secondo caso il pacchetto di dati trasmesso nello slot deve contenere l inormazione di linea di appartenenza (e di destinazione). Quest ultimo caso é piú adatto a sorgenti di inormazione di tipo impulsivo, per le quali nelle singole linee possono esistere intervalli di tempo in cui non c é niente da trasmettere. 5.3 Multiplex a divisione di codice Nel multiplex a divisione di codice (o CDM: Code Division Multiplex) ad ogni linea viene assegnato un codice (sequenza di bit) che viene utilizzato per moltiplicare il segnale dei singoli bit da trasmettere. I segnali delle singole linee vengono trasmessi simultaneamente ed occupano la stessa banda. La possibilitá di recuperare i singoli segnali é determinata da come vengono generati i codici. Questi sono inatti generati in modo tale che: il prodotto dei segnali relativi ai bit di due codici distinti sia prossimo a zero;

10 CAPITOLO 5. MULTIPLEXING 38 Ingressi m (t) 1 m (t) 2 Multiplexer Modulazione 1 Modulazione Uscita N m (t) N Modulazione N N Ingresso Demultiplexer Filtro 1 1 Demodulazione 1 Uscite m (t) N Filtro Demodulazione m (t) 2 Filtro N N Demodulazione N m (t) N Figura 5.2: Multiplex a divisione di requenza. utente A pacchetto 1... utente B utente A pacchetto 5 pacchetto N N trama (rame) utente B pacchetto 6 trama (rame)... tempo Figura 5.3: Multiplex a divisione di tempo.

11 CAPITOLO 5. MULTIPLEXING 39 il prodotto del segnale relativo ai bit di un codice con se stesso sia unitario solo quando i segnali sono perettamente sovrapposti nel tempo, e prossimo a zero altrimenti. Cosí il multiplexer moltiplica la sequenza di bit di una linea per il rispettivo codice e invia il segnale risultante nel canale. Il demultiplexer moltiplica il segnale ricevuto (somma del segnale da tutte le linee) per i vari codici, rendendo, per ogni linea, prossimo allo zero il contributo del segnale che viene dalle altre linee.

12 Capitolo 6 Protocolli di accesso Deinite le tecniche con cui é possibile dividere un canale o mezzo trasmissivo tra piú utenti, é necessario issare le modalitá di accesso al canale stesso. É chiaro che le regole per richiedere, utilizzare e rilasciare una linea di trasmissione devono essere issate a priori e note ai sistemi della rete. Tali regole ormano i cosiddetti protocolli di accesso, dove il termine protocollo indica l insieme delle regole per instaurare, mantenere, abbattere, un collegamento tra utenti di una rete. I protocolli di accesso possono essere suddivisi in protocolli di accesso ordinato, protocolli di accesso casuale. di seguito vedremo brevemente le caratteristiche di tali protocolli. 6.1 Protocolli di accesso ordinato Nel caso dei protocolli di accesso ordinato, tutti gli utenti accedono alla rete (o meglio al canale di comunicazione) evitando che si creino conlitti ed intererenze che provocherebbero la distruzione delle inormazioni trasmesse. Tra i protocolli ad accesso ordinato troviamo: 40

13 CAPITOLO 6. PROTOCOLLI DI ACCESSO FDMA Nel caso dell FDMA (Frequency Division Multiple Access), ad un utente che deve trasmettere vine assegnata una certa banda di requenza, secondo il multiplex di tipo FDM. Ció avviene dopo che l utente ha richiesto la possibilitá di trasmettere dati, che gli é stata riconosciuta con l assegnazione di una certa banda di requenza, a un nodo di commutazione della rete CDMA Nel caso del CDMA (Code Division Multiple Access), ad un utente che deve trasmettere viene assegnato un codice, secondo il multiplex di tipo CDM, in modo analogo a quanto avviene per l FDMA TDMA Nel caso del TDMA (Time Division Multiple Access), ad un utente che deve trasmettere viene assegnato un intervallo di tempo (time slot) che si ripete con un certo periodo (rame), secondo il multiplex di tipo TDM. Ció avviene dopo che l utente ha richiesto la possibilitá di trasmettere dati, che gli é stata riconosciuta da parte di un nodo ci commutazione oppure dopo che ha occupato (sistemi senza nodi di commutazione) un time slot libero. Ció che viene trasmesso sul canale di trasmissione é un qualcosa del tipo schematizzato in Fig In tale schematizzazione, il preambolo contiene delle sequenze di bit note (stabilite a priori), utilizzate per individuare l inizio del rame, e altre inormazioni utili al sistema. I vari time slot possono essere separati da dei bit di guardia (bit non inormativi utilizzati per avere la sicurezza che i vari time slot non si sovrappongano). Nei time slot, oltre ai bit inormativi, possono inine essere trasmesse inormazioni sull orgine e il destinatario dei dati. Da sottolineare che tale tipo di protocollo necessita di sincronizzazione, ossia che ogni utente deve riscostruirsi l inormazione temporale necessaria a determinare gli istanti di inizio rame, time slot e bit Polling Il polling (protocollo a chiamata) costituisce il primo protocollo ordinato per l accesso ad una LAN. Secondo tale protocollo un codo centrale interroga i vari terminali connessi ad esso per veriicare se hanno qualcosa da trasmettere. In caso di risposta aermativa viene loro concesso l utilizzo del canale

14 CAPITOLO 6. PROTOCOLLI DI ACCESSO rame rame... tempo slot 1 slot 2 slot N preambolo spazio di guardia Figura 6.1: Accesso a divisione di tempo (TDMA). per un certo tempo. In caso contrario, o alla conclusione del tempo concesso, viene interrogato il terminale successivo, ino a ricominciare il ciclo Token Il protocollo Token (protocollo a gettone) costituisce l evoluzione del polling. É utilizzato soprattutto nelle reti ad anello (es. Token Ring), e evita la necessitá di avere un nodo centrale che provvede ad interrogare i vari terminali. Nelle reti token (Fig. 6.2) un terminale é autorizzato a trasmettere se é in possesso del token, ossia un opportuna e prestabilita sequenza di bit. Se un terminale ha ricevuto il token puó trasmettere i dati. Altrimenti, o alla conclusione del tempo concesso per la trasmissione, invia il token al terminale successivo, ino a ricominciare il ciclo. 6.2 Protocolli di accesso casuale I protocolli di accesso casuale sono pensati per un traico di tipo impulsivo, quale quello di una rete di calcolatori, e per richiedere un implementazione circuitale piú semplice e meno costosa rispetto ai protocolli di accesso ordinato. La dierenza ondamentale con i protocolli di accesso ordinato consiste nel atto che i protocolli di accesso casuale consentono agli host di accedere alla rete senza richiedere il permesso ad un nodo di commutazione. Poiché c é una certa libertá di accedere al canale, non si puó escludere che due terminali trasmettano contemporaneamente. In tal caso i segnali vengono ad intererire degradandosi e rendendo impossibile il loro recupero.